近二十年来,随着高速数控机床及切削刀具的不断发展,高速加工技术已在航空、航天等领域得到越 来越广泛的应用,铣削参数的选择被认为是困扰该技术应用的瓶颈问题。传统的切削参数库都是针 对刚性很好的工件建立起来的,而且由于一般采用的是低速加工方式,加工过程的颤振一般不容易 发生,工件的变形也不是主要问题犤1犦。但是在航空航天工业中,轻量化已经成为一种必然的发 展趋势,弱刚性零件在重要武器系统的应用比例越来越高。但是,高速加工和弱刚性工件的结合产 生了一些新的问题:主轴转动速度超过了工艺系统的低阶固有频率,因此,极易发生颤振,而且由 于工件刚性很差,切削变形(主要是铣削变形)也成为一个非常严重的质量问题。如何在这种情况 下确定合理的铣削参数避开颤振区域和减小铣削变形成为一个难题。奥地利磐石公司提出了一种利 用颤振稳定域图表和铣削力图表来辅助工艺人员选择铣削参数的方法,该方法在欧洲取得广泛应用 。但是这些图表远不是铣削数据库,而且也没有考虑工件结构和刚性的不同,因此在弱刚性工件加 工时仍然存在困难。本文针对航空航天工业大型薄壁件的高速加工问题建立一种考虑工件结构特征 的铣削参数数据库。1弱刚性工件的等效模型工件的结构千差万别,如果把所有的结构都表达出来 并记录在数据库中,将是一件非常耗时耗力的工作,这也使得整个数据结构产生大量冗余。为解决 这个问题,我们必须设法将工件结构进行简化,基本的思路是:化繁为简、化整为零。通过将工件 的复杂结构简化为一些规范的近似结构,并将近似结构分解成若干简单结构的组合。(1)特征结 构采用拉伸板制造的大型复杂结构件一般可以划分成一些基本结构的组合,对于一些正交结构件, 一般都可以分解成图1所示的几种基本结构,称为特征结构。当工件上具有倾斜表面时,特征结构 的种类会增加一些,但是同样还是可以分解成若干种特征结构的组合。(2)约束结构图2是采用 拉伸板制造大型复杂结构件的一般模型。工作台、夹具、板料毛坯通过合适的夹紧方式连接在一起 ,工件是从毛坯中保留下来的一部分,而且工件由若干个特征结构组成。我们把一个特征结构周围 的部分称为约束结构。工件结构是由有限的结构元素所组成(如十字结构,T字结构等),其种类 和尺寸变化也非常有限。但是由这些有限的基本元素所组合出来的工件却有无限多种。只要将数据 库建立在这些结构元素的基础上,就可以建立通用的切削参数数据库。工件的刚度是影响变形和振 动的主要原因之一,而决定刚度的是材料质量的分布。有理由相信,局部质量所处位置的微弱变化 不会对整体刚度有显著影响。这样,一些倾斜结构可以简化成垂直结构,一些局部的小孔和凸台可 以忽略不计,一些小的斜面可以等效成水平或垂直表面。在这样的等效原则上,复杂结构都可以等 效成简单结构,简单结构可以离散成规范的单元结构或基本结构。图3自左向右描述了一个实际复 杂结构简化成一个简单结构的过程。(3)弱刚性工件的特征结构和约束结构的关系“特征结构” 和“约束结构”所组成的整体能够近似反映特征结构加工过程相关的动力学参数的大小。理论上, 特征结构和约束结构应作为一个整体进行分析,但在实际分析过程中,我们必须采用化整为零的办 法(如图4所示)。事实上,我们只关心特征结构的标志点(表面上用来度量曲面变形大小的一组 点)上与表面垂直方向的刚度大小和特征结构能够有较大响应的几阶模态的固有频率的分布情况。 我们无须知道其它点的变形情况。因此我们可以预先将特征结构及其约束结构的有限元求解方程简 化,去掉那些不需要的点的方程。这样就能够得到非常简化的方程式。其中的刚度矩阵和质量矩阵 的维数会大为减少,这将加快优化铣削参数的速度。2基于工件结构特征的铣削参数数据记录格式 在一定的工艺系统中使用某些铣削参数可能会引起系统的颤振,进而影响工件的表面加工质量,因 此在选择使用铣削参数时应考虑到工艺系统颤振的影响。根据Altintas和Budak提出 的解析颤振预测模型犤2犦,我们建立了颤振稳定域仿真模型,并通过试验验证了其正确性。通过 颤振稳定域仿真模型,就可以知道在刀具、机床和工件规定的工艺系统中,在铣削宽度一定的情况 下,不同的机床主轴转速和铣削深度是否引起系统的颤振,这些机床主轴转速和铣削深度的组合构 成了颤振稳定域图形(如图8)。我们在数据库中记录了大量工艺系统的颤振稳定域信息,便于使 用者查看铣削参数在特定工艺系统中能否引起颤振,以此作为选择铣削参数的依据之一。为了综合 考虑高速数控加工中的多种不同情况,将工件结构分成两种不同类型:一种是工件刚性很好的情况 (刚性工件情况),此时,颤振稳定域只与主轴、刀具的不同组合有关;另一种是工件刚性较差的 情况(弱刚性工件情况),此时颤振稳定域不仅与主轴、刀具的不同组合有关,而且与工件的不同 部分以及不同部分的不同加工阶段有关。考虑到工件结构在加工过程的相似性(逐层加工)和不同 结构工件在主体结构上的相似性建立图5所示的高速数控加工铣削参数的统一记录格式,利用该格 式可以记录刚性工件和弱刚性工件的铣削条件、加工要求和铣削参数数据。对于弱刚性工件,我们 按照其结构的复杂程度分成两种,一种是由单个特征结构组成的工件;一种是由多个特种结构组成 的工件(典型结构件)。因此,为了兼顾数据库的通用性和专用性,我们可以将工件按照上述分析 结果分成3种类型,数据库也就被分解成3个不同的类型:①储存刚性工件的铣削条件、加工要求 、加工效果数据;②存储具有多个结构特征的典型弱刚性结构件加工过程的铣削条件、加工要求、 加工效果数据;③存储单个结构特征的弱刚性结构件加工过程的铣削条件、加工要求、加工效果数 据。在实际铣削过程中,夹具和机床的刚性以及毛坯边缘的料头部分的刚性都远大于工件的刚性, 因此我们在真正的变形分析过程中可以忽略这3部分的影响。我们集中精力分析工件自身及其与毛 坯连接部位的静力学和动力学特性就可以了。为简化记录格式,对于特征结构,只要记录下结构的 几何结构的类型和尺寸就足够了,这样可以显著减少数据库中记录个数。因为特征结构中只有那些 标志点的数据是我们想要的。例如,度量某点的加工变形,只需要找到刚度矩阵对角线上这点所对 应的刚度就可以了。对于约束结构,其质量矩阵和刚度矩阵可能会随工件结构的变化而变化,但是 矩阵的规模并不大。对于一个十字结构,其对应的约束结构上的边界点数目可确定为40,考虑到 3个自由度,矩阵的边长为120。这与直接处理由数万节点组成的有限元结构相比显然是大大简 化了。因此描述特征机构和约束结构的动力学和静力学行为的指标可以确定为:①特征结构的几何 结构类型和典型尺寸;②约束结构的几何结构类型和典型尺寸或边界点的等效质量矩阵和刚度矩阵 。3切削参数数据的实体-关系图(ER图)我们得到了每一部分所详细记录的内容,铣削用量和 其他铣削参数是由切削条件决定的,它们之间是一种匹配关系,实体-关系图可用图6表达:4数 据库的建立和应用(1)功能模块该数据库系统分为7个功能模块:用户登录验证模块、用户权限 申请模块、软件接口模块、数据评价模块、数据操作模块、后台维护模块和帮助模块。其中数据操 作模块是本数据库系统的核心部分,又分为详细查询、模糊查询、添加、更新、删除等子模块;因 为本数据库系统的数据主要来源于仿真优化软件,所以应预留与仿真、优化软件的接口;数据评价 模块提供了数据库使用者参与评价数据记录的平台。(2)数据访问流程首先需要选择系统的刚性 ,如果是刚性,则根据相应的铣削条件得到一组来源于仿真优化软件的数据,包括铣削用量以及该 铣削参数对应的颤振稳定域。如果是弱刚性的,则有两种选择,一种是实例化的航空领域长线产品 ,一种是我们用结构简化机制得到的特征普遍化的工件。对于前者,首先确定工件结构类别(框类 、梁类等)和尺寸的大概范围,检索得到相应的零件,然后查看该零件不同加工工序和不同部位对 应的铣削参数;对于后者,首先分析零件并提取特征单元,然后在数据库中检索到相同的特征单元 和在一定铣削条件下的切削参数。(3)软件体系结构本数据库系统软件是在.net框架下采用 c#语言开发的,软件体系结构为B/S(浏览器/服务器)模式,如图7(a)所示。为了提高 数据访问的效率,采用了数据缓存技术。并把整个系统所要实现的基本功能封装成一个组件类,用 COM+的核心服务(对象池、即时激活等)来包装,以便最小化多个访问用户的对象初始化成本,提高访问效率和安全性犤2犦。图7(b)为数据库系统的用户图形界面。(4)应用举例下面举例说明本数据库系统的实际应用。预加工“一”字型结构特征的零件(见图1),已知工件底板边长均为100mm,壁厚20m m,“一”字肋壁厚20m m,高50m m,材料为铝合金T7351。分析:因为壁厚(20m m)相对整个工件来说已经很大,可将该工件视为刚性的。根据工件的尺寸和车间现有的加工设备, 确定相应的刀具、机床和冷却液。装夹方式采用周边约束。查询:首先登录系统,选择刚性,把上 面分析的加工条件依次输入,确认后得到了3条记录。我们可以进一步选择最优的记录,本例中我 们根据铣削力、功率、颤振稳定域(图8,黑点代表该条铣削参数)和评价选择了标识为1000 29的参数记录。至此,我们得到了一条最优铣削参数记录,记录中包含了工件加工的每一个要素 ,包括我们关心的铣削用量、铣削力和功率等。利用评价模块,我们还可以根据该条记录的实际使 用效果对其进行评价。5结束语本文介绍了一种基于工件特征的铣削参数数据库系统的研制过程和 基本方法。但如何考虑除板材作为工件毛坯以外的不同类型工件的铣削参数数据表达问题仍然需要进一步研究。基于特征的数控铣削加工数据库@刘雪峰$北京航空航天大学机械工程及自动化学院!100083
@陈志同$北京航空航天大学机械工程及自动化学院!100083
@刘强$北京航空航天大学机械工程及自
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